楊彥子,唐 紅,黃云浩
(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430081)
近年來(lái),隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速,城區(qū)面積不斷擴(kuò)大,人口密度急劇增大,現(xiàn)代高層建筑更加重視立體空間的使用。 建設(shè)垂直空間的重點(diǎn)之一為地下空間建設(shè),地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)可為地下空間阻水、擋土。 其中,落底式地下連續(xù)墻為我國(guó)常用的超高層建筑地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)[1],其優(yōu)點(diǎn)為機(jī)械施工振動(dòng)較小、噪聲低、墻體剛度大、防滲性能優(yōu)異、適用多種地基條件、能充分利用土地資源、貼近建筑紅線,因此城市高層建筑地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常常選擇地下連續(xù)墻作為建筑擋水結(jié)構(gòu)。 而當(dāng)今發(fā)展條件下,城區(qū)內(nèi)施工環(huán)境日益復(fù)雜,使用矩形地下連續(xù)墻會(huì)損失部分土地使用率,造成土地資源的浪費(fèi);矩形結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻雖然施工方法簡(jiǎn)單成熟,但容易破壞地下水滲流路徑,對(duì)長(zhǎng)江重補(bǔ)給城市地下水資源造成阻礙。
現(xiàn)階段對(duì)于異形落底式地下連續(xù)墻的研究有所欠缺,目前常見(jiàn)的仍為矩形地下連續(xù)墻。 孫淑賢[2]基于理論數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)的方式研究發(fā)現(xiàn),增加止水帷幕的插入深度會(huì)增加地下水的繞滲路徑,且地下水在止水帷幕下方的繞滲速度加快,流速高造成水頭損失加大,易發(fā)生流砂現(xiàn)象;同時(shí)基坑下部產(chǎn)生較大水力坡度,而基坑外水頭損失不大,從而形成相當(dāng)大的滲流力,對(duì)基坑底部的穩(wěn)定性不利。 黃阜等[3]基于有限差分法分析了地下水滲流效應(yīng)對(duì)基坑開(kāi)挖的影響,并且用有限差分法對(duì)地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。 顧?。?]和趙宇亭[5]基于工程實(shí)例與現(xiàn)有施工工法分析了異形地下連續(xù)墻的施工難點(diǎn),特別是異形槽段開(kāi)挖階段轉(zhuǎn)角的處理問(wèn)題。 張凱華[6]根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)計(jì)算出地下水滲流造成滯水區(qū)時(shí)對(duì)周邊土體的影響半徑及形成“池盆效應(yīng)”可能造成的破壞。 秦明霞[7]根據(jù)工程案例設(shè)計(jì)了一套地下水加壓試驗(yàn)系統(tǒng),根據(jù)試驗(yàn)得出基坑施工過(guò)程中地下水滲流對(duì)土的抗剪強(qiáng)度的影響,其中土體顆粒在滲流作用下會(huì)產(chǎn)生一定的固結(jié)錯(cuò)位移動(dòng),提升了土顆粒間的連鎖效應(yīng),增強(qiáng)了破壞力。 地下水滲流的速度變化與水壓差對(duì)落底式地下連續(xù)墻周邊土體造成的影響是不可忽視的,而地下連續(xù)墻的建設(shè)反過(guò)來(lái)又會(huì)影響地下水的滲流路徑,造成地下滯水區(qū)的形成,加劇了流速差值與水壓差值的變化。 異形落底式地下連續(xù)墻在幾何形狀上為防止破壞地下水滲流路徑而設(shè)計(jì),在截?cái)嗟叵滤魍窂絾?wèn)題上盡量削弱影響,保護(hù)周邊地表建筑,最大程度利用建筑紅線內(nèi)的土地資源。 隨著新技術(shù)的出現(xiàn),異形落底式地下連續(xù)墻的施工方案在經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本上的劣勢(shì)也得以改善,因此是一種值得研究的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。
本文對(duì)比了不同異形地下連續(xù)結(jié)構(gòu)在地下水影響作用下產(chǎn)生的滲透力,以分析不同幾何結(jié)構(gòu)對(duì)水土流失及工程風(fēng)險(xiǎn)的改善作用。
利用COMSOL 有限元軟件進(jìn)行模擬,以長(zhǎng)800m、寬300m 的矩形土層作為模擬的基礎(chǔ)流場(chǎng),以長(zhǎng)164m、寬130m、墻厚2m 的落底式地下連續(xù)墻為基礎(chǔ)地下結(jié)構(gòu),并在四角分別進(jìn)行不同程度的切角與倒圓角,形成止水帷幕形狀不同的數(shù)種工況。
實(shí)際工程中的滲流多為平面問(wèn)題,故建立二維滲流模型。 流場(chǎng)內(nèi)地下水滲流規(guī)律符合達(dá)西定律的慢速滲流狀態(tài),土體模型忽略氣體對(duì)水流的影響,故為飽和土。 根據(jù)不可壓縮流體的假設(shè)和水流連續(xù)條件,在體積不變的條件下,飽和土流入微單元的水量必須等于流出的水量[6]。 與異形落底式地下連續(xù)墻聯(lián)合后的水土聯(lián)合體采取流固耦合-固定幾何的模擬接口,刪除微小影響因子,著重分析異形幾何結(jié)構(gòu)對(duì)地下水的阻滲效果,具體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為滲透變形量和滲流速度。 因存在江堤等構(gòu)筑物阻擋,故不考慮湍流情況;固體力學(xué)接口不考慮地下水對(duì)落底式地下連續(xù)墻的力學(xué)作用,只分析幾何結(jié)構(gòu)對(duì)地下水的截流阻滲效力,故設(shè)定為剛體無(wú)滑移外壁。
地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)模型如圖1 所示。
地下連續(xù)墻四周土體為滲流場(chǎng)發(fā)生區(qū)域,將模型的層流場(chǎng)和固體力學(xué)部分進(jìn)行全耦合,形成的模擬滲流場(chǎng)如圖2 所示。
圖2 無(wú)切面矩形地下連續(xù)墻滲流場(chǎng)(單位:m/s)Fig.2 Seepage field of no cut surface rectangular drop-bottom diaphragm wall (unit: m/s)
地下水滲流在經(jīng)過(guò)地下結(jié)構(gòu)時(shí),地下水的滲流路徑被大幅度改變,地下水的流速在迎水面上大幅度減小,在迎水面的轉(zhuǎn)角處則大幅度增加,最大流速為18.372×10-4m/s,迎水面最小流速接近于停滯且存在回流,流速為-6.64×10-4m/s,可能存在蓄水區(qū),滲流速度差為25.012×10-4m/s。 滲流水在迎水面會(huì)出現(xiàn)較大的流速差值,產(chǎn)生因流速不一致而出現(xiàn)的滲透力。
輸入孔隙水壓力后,結(jié)果如圖3 所示。 由圖可知,無(wú)切面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)四周的孔隙水壓力梯度值為-108 ~-213N/m3,最大值與最小值的差值為105N/m3,存在滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
圖3 無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻孔隙水壓力場(chǎng)(單位:N/m3)Fig.3 Pore water pressure field of no cut surface rectangular drop-bottom diaphragm wall (unit: N/m3)
1.3.1 模型建立
模擬以切除矩形結(jié)構(gòu)四角為基礎(chǔ),構(gòu)造異形落底式地下連續(xù)墻,其幾何特征為一次切面、二次切面及全圓弧面。 其中,墻體厚度與深度和原矩形地下連續(xù)墻相同,并放入相同的滲流場(chǎng)中,輸入達(dá)西流數(shù)值后,模擬滲流影響。
模擬時(shí),由于只考慮滲流場(chǎng)影響,故不定義幾何體本身屬性,如滲透系數(shù)、材料剛度、滑移度等數(shù)值,著重考慮幾何體對(duì)滲流路徑及孔隙水壓力的影響。 建模形成3 種異形落底式地下連續(xù)墻,如圖4所示。
圖4 不同形式的落底式地下連續(xù)墻Fig.4 Different forms of drop-bottom diaphragm wall
1)第1 種是將無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻的4 個(gè)角等邊切除,縮進(jìn)半徑為20m,形成一次切面的異形落底式地下連續(xù)墻。
2)第2 種是將一次切面的異形落底式地下連續(xù)墻的折角再次等邊切除,縮進(jìn)半徑為17.5m,形成二次切面的異形落底式地下連續(xù)墻,其設(shè)置目的是為了試驗(yàn)極端設(shè)計(jì)下的幾何結(jié)構(gòu)是否存在邊界效應(yīng),以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)并得到工程造價(jià)、工期與結(jié)構(gòu)效能之間互相平衡后的最優(yōu)解。
3)第3 種是將無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻的4 個(gè)角設(shè)置成圓弧面,形成全圓弧面異形落底式地下連續(xù)墻,設(shè)置目的是模擬環(huán)形地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水滲流路徑的影響。
1.3.2 達(dá)西速度場(chǎng)模擬
將3 種異形落底式地下連續(xù)墻的幾何模型放入低速流場(chǎng),水頭差設(shè)置為長(zhǎng)江豐水期最大承壓水位,以考慮極限狀態(tài),模擬結(jié)果如圖5 所示。
根據(jù)模擬結(jié)果可知,滲流在經(jīng)過(guò)一次切面異形落底式地下連續(xù)墻時(shí)的流速相較于無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻的流速差值有所改善,其迎水面切面折角處最大流速為16.176×10-4m/s,最小流速為-5.94×10-4m/s,滲流速度差為22.116×10-4m/s,相較于矩形無(wú)切面落底式地下連續(xù)墻,滲流速度最大值與最小值的差值下降11.58%。
在經(jīng)過(guò)二次切面異形落底式地下連續(xù)墻時(shí),其地下水滲流流速差值進(jìn)一步減小,其迎水面切面折角處最大流速為 13.027 × 10-4m/s, 最小流速為-6.019×10-4m/s,滲流速度差為19.046×10-4m/s,相較于一次切面落底式地下連續(xù)墻下降13.88%,與矩形地下連續(xù)墻相比,滲流速度的最大值與最小值的差值下降23.85%。
全圓弧面落底式地下連續(xù)墻的情況并未使達(dá)西流的流速差下降,其迎水面圓弧面處最大流速15.48×10-4m/s,最小流速為-6.395 5×10-4m/s,滲流速度差為21.875×10-4m/s,與二次切面異形地下連續(xù)墻相比流速差有所上升,滲流速度的最大值與最小值的差值下降14.9%。
1.3.3 孔隙水壓力模擬
將3 種模型接入孔隙水壓力環(huán)境,結(jié)果如圖6所示。
圖6 地下連續(xù)墻孔隙水壓力場(chǎng)(單位:N/m3)Fig.6 Pore water pressure field of diaphragm wall (unit: N/m3)
在同等單元體大小的情況下,一次切面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)四周的孔隙水壓力在-107 ~-173N/m3,最大值與最小值之間的差值為66N/m3,對(duì)比無(wú)切面矩形地下連續(xù)墻的數(shù)據(jù),壓力差值下降了37.1%,有效改善了因壓力差值產(chǎn)生的顆粒對(duì)水阻力,同時(shí)降低發(fā)生滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
二次切面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)四周孔隙水壓力在-105 ~-143N/m3,最大值與最小值之間的差值為38N/m3,對(duì)比一次切面落底式地下連續(xù)墻,壓力差值下降了42.4%,對(duì)比無(wú)切面矩形落底式地下連續(xù)墻,壓力差值則下降了63.8%,高低壓力差值進(jìn)一步下降,且下降幅度明顯,大幅度改善了地下水滲透環(huán)境。
全圓弧面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)四周的孔隙水壓力梯度值為-104 ~-142N/m3,最大值與最小值之間的差值為38N/m3,對(duì)比二次切面落底式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)并沒(méi)有變化,說(shuō)明改善效果存在邊界效應(yīng),在制造成本與結(jié)構(gòu)性能間存在平衡。
武漢位于長(zhǎng)江中下游地區(qū),長(zhǎng)江對(duì)武漢城區(qū)地下水、周邊地下工程施工以及地下結(jié)構(gòu)物滲漏的影響是不可忽視的,尤其是超高層建筑的地下工程。
對(duì)于臨江地下工程而言,孔隙承壓水主要賦存于場(chǎng)區(qū)中部砂土層中,工程基坑邊線距長(zhǎng)江親水平臺(tái)臨水側(cè)距離較近,場(chǎng)區(qū)孔隙承壓水與長(zhǎng)江水體存在密切的水力的聯(lián)系,水量豐富,在長(zhǎng)江豐水期,江水補(bǔ)給地下水,反之地下水補(bǔ)給江水,年變幅隨距江邊距離的增大而減小。 在1—3 月承壓水位較低,枯水期(2 月)承壓水位一般為11.600 ~15.000m,7—9 月承壓水位較高,豐水期(8 月)承壓水位一般為20.400 ~22.800m[8]。 地下水徑流相應(yīng)表現(xiàn)為每年豐水期地下水由長(zhǎng)江向階地內(nèi)側(cè)流動(dòng)、反之地下水從階地向長(zhǎng)江流動(dòng),在長(zhǎng)江平水期,地下水的徑流速度極為緩慢。 在一般的臨江工程項(xiàng)目中,每年長(zhǎng)江枯水期是地下水排泄的主要時(shí)段。
隨著臨江建筑的不斷修建,地下結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)加深且密集化的趨勢(shì),對(duì)地下水的滲流路徑造成影響,在長(zhǎng)江豐水期影響地下水由長(zhǎng)江向城區(qū)補(bǔ)充,而枯水期則影響地下水由城區(qū)向長(zhǎng)江回流。 當(dāng)長(zhǎng)江進(jìn)入豐(枯)水期時(shí),地下水滲流量增加,臨江地下結(jié)構(gòu)物會(huì)對(duì)地下水的滲流路徑造成阻擋,使局部孔隙水壓力提高,壓力差擴(kuò)大,相對(duì)滲流速度差值變化較大,從而使長(zhǎng)江兩岸土地的地下水環(huán)境劣化,且在地下結(jié)構(gòu)周邊的低速滲流會(huì)造成一定程度的地下積水,對(duì)周邊土體造成影響,可能使其性狀較工程勘測(cè)時(shí)期發(fā)生改變,留下隱患。 因此,地下結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初,應(yīng)適當(dāng)考慮地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水滲流路徑及周邊地下水環(huán)境的影響,在環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)效益之間尋求平衡點(diǎn),以減少隱患,并達(dá)到環(huán)境友好的目的。
楚商大廈由1 棟超高層主塔樓及裙房組成(見(jiàn)圖7),項(xiàng)目規(guī)劃總用地面積29 193.41m2,總建筑面積548 338.28m2。 其中主塔樓108 層,地面以上高475.90m;裙房為19 層,地面以上高79.50m。
圖7 楚商大廈效果Fig.7 Effect of Chushang Mansion
場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要有上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。 上層滯水主要賦存于第1 層填土中,該層地下水與下部砂性土層中的孔隙承壓水被黏性土阻隔,主要來(lái)自大氣降水及城市管道滲漏補(bǔ)給[9-10],水位受季節(jié)性控制,隨季節(jié)而變化,無(wú)統(tǒng)一水位線,水量不大。 勘察期間測(cè)得上層滯水水位埋深0.300 ~3.500m,水位標(biāo)高22.990 ~23.480m,根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及臨近場(chǎng)區(qū)施工經(jīng)驗(yàn),場(chǎng)區(qū)內(nèi)的孔隙承壓水水位標(biāo)高年變化幅度一般為3.000 ~5.000m,洪水期水位標(biāo)高年變化幅度可達(dá)到8.000~10.000m。
楚商大廈采用地下連續(xù)墻作為止水帷幕,地下連續(xù)墻布置如圖8 所示,因考慮復(fù)雜地下水環(huán)境,落底式地下連續(xù)墻的西北、西南角采取切面設(shè)計(jì),考慮到地下水滲流路徑的疏導(dǎo)作用以防止地下積水造成的路面下陷,還考慮了最大化使用紅線內(nèi)的用地面積,減少土地浪費(fèi),且使用了TRD(trench cutting re-mixing deep wall method)工法樁,在保證施工質(zhì)量與效率的同時(shí),完成異形結(jié)構(gòu)的施工。
圖8 楚商大廈地下連續(xù)墻平面Fig.8 Diaphragm wall plane of Chushang Mansion
通過(guò)對(duì)3 種不同幾何結(jié)構(gòu)的異形落底式地下連續(xù)墻的多物理場(chǎng)進(jìn)行模擬和對(duì)比,主要得出以下結(jié)論。 當(dāng)優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)時(shí),地下結(jié)構(gòu)對(duì)周?chē)馏w地下水流速的影響可以降低,其中一次切面落底式地下連續(xù)墻周?chē)馏w的地下水滲流速度差的峰值相比于矩形落底式地下連續(xù)墻下降11.58%,有效減小滲流速度差,減少了低速滲流造成積水區(qū)的風(fēng)險(xiǎn),減少了長(zhǎng)江向地下水重補(bǔ)給過(guò)程的干擾;而孔隙水壓力差值相比于矩形落底式地下連續(xù)墻下降37.1%,有效降低了地下水對(duì)土體骨架的滲透力影響,降低了滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。 二次切面落底式地下連續(xù)墻周?chē)馏w的地下水滲流速度差的峰值相比于矩形落底式地下連續(xù)墻下降23.85%,進(jìn)一步降低了滲流速度差,對(duì)地下水滲流路徑的干擾進(jìn)一步減小;孔隙水壓力差值相比于矩形落底式地下連續(xù)墻下降63.8%,效果相較于一次切面落底式地下連續(xù)墻更為明顯。 而全圓弧面落底式地下連續(xù)墻對(duì)地下水滲流速度差的優(yōu)化程度與二次切面接近,對(duì)孔隙水壓力差值優(yōu)化程度與二次切面近乎相同,說(shuō)明地下連續(xù)墻的幾何結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果存在邊界效應(yīng),在優(yōu)化效果與施工成本之間可以取一個(gè)平衡點(diǎn),不用一味追求幾何結(jié)構(gòu)上的改變。
隨著武漢沿江地區(qū)開(kāi)發(fā)的不斷深入,高層和超高層建筑在沿江區(qū)域的不斷建設(shè),地下結(jié)構(gòu)的密度和深度也不斷增加,同時(shí),新型施工工法與施工機(jī)具也日益更新?lián)Q代。 相較于普通的矩形落底式地下連續(xù)墻,異形落底式地下連續(xù)墻在施工難度上已經(jīng)降低,采用TRD 或MJS 等工法來(lái)進(jìn)行施工,在控制成本與進(jìn)度的同時(shí)對(duì)環(huán)境更加友好。